MEMS piezoelectric vibrational energy harvesters and circuits for IoT applications

Résumé

Dans le monde de l'Internet des objets (IoT), de plus en plus de capteurs sont déployés et par conséquent il est nécessaire de développer de nouvelles sources d’énergie. Ainsi les solutions alternatives aux batteries font l'objet de recherches approfondies dans le monde entier. Parmi les solutions les plus prometteuses, nous pouvons citer la récupération de l'énergie déjà présente dans l’environnement. Un nouveau système de récupération d'énergie pour alimenter les noeuds de capteurs sans fil est une nécessité pour alimenter ces noeuds qui sont témoins d'un marché en croissance constante. Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) à base de capteurs piézoélectriques d'énergie vibratoire (PVEH) sont considérés en raison de leur bonne densité d'énergie, de l’efficacité de la conversion énergétique effectué, de leur aptitude à la miniaturisation et de leur compatibilité avec les procédés CMOS. Les structures de type poutres sont privilégiées pour leurs déformations moyennes relativement élevées, leurs basses fréquences et leur simplicité de fabrication. L’utilisation de masses est essentielle dans les dispositifs à l’échelle microscopique afin de diminuer la fréquence de résonance et d'augmenter la tension pour augmenter la puissance de sortie. Dans cette thèse, les effets de la géométrie de la masse sur les capteurs piézoélectriques d'énergie vibratoire (PVEH) sont étudiés. Différents rapports de dimensions géométriques ont un impact significatif sur la fréquence de résonance, par exemple, la longueur d‘une poutre par rapport à la masse et la largeur de celle-ci par rapport à la masse. Les réponses des différents prototypes sont étudiées. De plus, l'impact de la géométrie sur la performance des PVEH est étudié. À savoir, les conceptions rectangulaires et trapézoïdales en forme de T sont fabriquées et testées. Les géométries optimisées en forme de croix sont fabriquées à l'aide d'une technologie commerciale PiezoMUMPs de MEMSCAP. Ils se caractérisent par leur fréquence de résonance, leur répartition des contraintes et leur puissance de sortie. Un capteur d'énergie n'est pas utilisable directement comme une source d'alimentation pour les circuits en raison des variations de sa puissance et de sa tension dans le temps, l’utilisation d’un circuit de gestion de puissance est nécessaire. Le circuit répond aux exigences de réponse à une tension d'entrée qui varie avec les conditions ambiantes pour générer une tension de sortie régulée. Ce circuit doit avoir la capacité d'alimenter plusieurs sorties à partir d'une tension d'entrée fixe. Dans cette thèse, de nouvelles architectures de circuit reconfigurable sont envisagées. Une pompe de charge qui modifie dynamiquement le nombre d'étages pour générer plusieurs de niveaux de tension a été conçue et fabriquée en utilisant une technologie CMOS 0,13 μm. Celle-ci est capable de fournir des tensions de polarisation pour les dispositifs MEMS électrostatiques. Les MEMS électrostatiques nécessitent des tensions de commande relativement élevées et variables et le circuit fabriqué sert cet objectif et atteint une tension de sortie maximale mesurée de 10,1 V avec une alimentation de 1,2 V. Dans cette thèse, des recommandations de conception sont données et des récupérateurs d’énergie piézoélectriques MEMS ont été mis en oeuvre et validés par des étapes de simulation, fabrication et caractérisation. Les récupérateurs d’énergie en forme de T apportent des améliorations par rapport à une structure rectangulaire. Ces améliorations sont d’autant plus importantes lors de l’utilisation d’une structure trapézoïdales en forme de T. Une architecture en forme de croix a l'avantage d'utiliser quatre poutres et une seule masse centrale, cela permet d’améliorer considérablement les performances. Un circuit à couplage croisé permet le redressement de la sortie dans le but d’obtenir une solution optimale pour la récupération d'énergie.

Date	13 mai 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice))